PCI Express - пункт прибытия 2014 год
«- В этом поезде никто ничего не знает!
- А чего еще ждать от этих бездельников иностранцев?»
Агата Кристи, «Восточный Экспресс».
Итак, ни для кого не секрет что в наше время, идеальный внешний интерфейс, так или иначе, является последовательным. Прошли времена многожильных центрониксов, и толстенных (обухом не перешибешь) SCSI шлангов — фактически, наследия еще до PC-шных времен.
Переход происходил медленно, но верно: сначала клавиатура и мышь, затем модем, затем, через годы и годы — сканеры и принтеры, видеокамеры, цифровые фотоаппараты. USB, IEE1394, USB 2.
На данный момент, вся потребительская внешняя периферия перебралась на последовательные соединения. Преимущества очевидны — в наше время выгоднее заложить максимум функциональности в чип, нежели иметь дело с избыточными объемами контактов, шлангами с сотней проводов внутри, недешевыми пайкой, экранированием, разводкой и медью.
Сформулируем преимущества последовательных шин и интерфейсов:
1. Выгодный перенос все большей части практической реализации шины на кремний, что облегчает отладку, повышает гибкость и сокращает время разработки;
2. Перспектива органично использовать в будущем иные носители сигнала, например оптические;
3. Экономия пространства и снижение сложности монтажа;
4. Проще реализовывать горячие подключения и динамическую конфигурацию в любом смысле;
5. Возможность выделять гарантированные каналы;
6. Переход от разделяемых шин с арбитражем и непредсказуемыми прерываниями, неудобными для надежных/критических систем к более предсказуемым соединениям точка-точка;
7. Лучшая с точки зрения затрат и более гибкая с точки зрения топологии масштабируемость;
В будущем же следует ожидать массового перехода на беспроводные шины.
Обсудим все преимущества на конкретном примере — новой стандартной системной шине PCI Express, массовое распространение которой на сегмент PC и средних/малых серверов уже наблюдается.
· Последовательная системная шина общего назначения;
· Имя — PCI Express, на стадии проектирования была также известна как 3GIO (Ввод-вывод третьего поколения), причем оба названия (3GIO и PCI Express) являются зарегистрированными торговыми марками;
· Дата рождения — 22 июля 2002 года — опубликована базовая спецификация протокола и сигнального уровня, а также базовая спецификация и энергопотребление карт и разъемы;
· Фактически — совокупность независимых самостоятельных последовательных каналов передачи данных;
· Сигнальный уровень 0.8 вольт. Каждый канал состоит из двух дифференциальных сигнальных пар (необходимо только 4 контакта):
·
· Используется избыточное защищенное от помех кодирование — каждый байт при передаче представляется десятью битами;
· Пропускная способность 2.5 Гигабита (250 МБ) в секунду для одного канала в каждом направлении одновременно (полный дуплекс), однако, следует учесть, что эффективная скорость передачи данных за вычетом избыточного кодирования составляет 2 Гигабита (200 МБ) ровно;
· Стандартизированы 1, 2, 4, 8, 16 и 32 канальные варианты (до 6.4 эффективных Гигабайт в секунду соответственно, при передаче в одну сторону и вдвое больше при передаче в обоих направлениях). При передаче данных они передаются параллельно (но не синхронно) по всем доступным каналам:
· Вся контрольная информация передается по тем же линиям что и данные, используется стек протоколов, из нескольких уровней, включая маршрутизацию данных:
· Стандарт предусматривает и альтернативные носители сигнала, такие как оптические волноводы;
· Возможность динамического подключения и конфигурации устройств;
· Возможность распознавания и использования альтернативных (улучшенных) протоколов обмена.
·
Подробнее остановимся на ключевых отличиях PCI Express от PCI:
1. Новая шина последовательна, а не параллельна. Основные преимущества — снижение стоимости, миниатюризация, лучшее масштабирование, более выгодные электрические и частотные параметры (нет необходимости синхронизировать все сигнальные линии);
2. Спецификация разделена на целый стек протоколов, каждый уровень которого может быть усовершенствован, упрощен или заменен не сказываясь на остальных. Например — может быть использован иной носитель сигнала или может быть упразднена маршрутизация в случае выделенного канала только для одного устройства. Могут быть добавлены дополнительные контрольные возможности. Развитие такой шины будет происходить гораздо менее болезненно — увеличение пропускной способности не потребует изменять контрольный протокол и наоборот. Быстро и удобно разрабатывать адаптированные варианты специального назначения;
3. В изначальной спецификации заложены возможности горячей замены карт;
4. В изначальной спецификации заложены возможности создания виртуальных каналов, гарантирования пропускной полосы и времени отклика, сбора статистики QoS (Quality of Service — Качество Обслуживания);
5. В изначальной спецификации заложены возможности контроля целостности передаваемых данных (CRC);
6. В изначальной спецификации заложены возможности управления питанием.
Самый простой вариант перехода на PCI-Express для стандартных по архитектуре настольных систем выглядит так:
Однако в будущем логично ожидать появление некоего разветвителя PCI Express. Тогда вполне оправданным станет и объединение северного южного мостов. Приведем примеры возможных системных топологий. Классический PC с двумя мостами:
Более обобщенная (серверная) архитектура с одним мостом:
Мощный сервер:
Производительный сетевой раутер:
Гибкость решения позволяет создавать различные топологические схемы, оптимально балансируя пропускную способность. А теперь ответим на вопрос «как это будет выглядеть» дословно. Карта:
(мысленно отломайте верхнюю и заднюю части, и вы увидите так называемый низкопрофильный вариант). А вот типичная для PC сектора системная плата с тремя х1 и одним х8 (в том числе, для графических карт) разъемами:
Те же разъемы вблизи:
Как уже упоминалось, предусмотрен и стандартизирован Mini PCI Express слот:
И новый слот для внешних заменяемых карт, на подобии CARDBUS, на который вынесена не только PCI Express но и USB 2.0:
Интересно, что предусмотрено два форм фактора карт, но отличаются они не толщиной как ранее, а шириной:
Решение очень удобное — во-первых делать двухэтажный монтаж внутри карты гораздо дороже и неудобнее нежели сделать карту с платой большей площади внутри, во-вторых, карта полной ширины получит в итоге вдвое большую пропускную полосу, т. е. второй разъем не будет простаивать без дела. С электрической или протокольной точки зрения шина NewCard не несет ничего нового, все необходимые для горячей замены или энергосбережения функции уже заложены в базовой спецификации PCI Express.
